EL FUTURO DE LOS BIOCOMBUSTIBLES: BIORREFINERÍAS INTEGRADAS

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1 CAMPUS UNIVERSITARIO DE PALENCIA UNIVERSIDAD DE VALLADOLID DR. D. JESÚS MARTÍN GIL CATEDRÁTICO DE INGENIERÍA AGROFORESTAL DE LA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍAS AGRARIAS DE LA UNIVERSIDAD DE VALLADOLID EL FUTURO DE LOS BIOCOMBUSTIBLES: BIORREFINERÍAS INTEGRADAS Lección Inaugural del Curso Académico de Septiembre de 2009

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3 Excmo. Sr. Rector Magnífico de la Universidad de Valladolid, Excmo. Sr. Vicerrector del Campus, Excmas. e Ilmas. Autoridades, queridos Compañeros universitarios, Alumnos, Señoras y Señores: Soy profesor de esta Universidad desde 1976 y a principios del año 1996 me incorporé a esta Escuela Técnica Superior de Ingenierías Agrarias. Hoy, catorce años más tarde, he sido designado para impartir la lección inaugural del curso El conocimiento de este encargo me produjo inicialmente un gran orgullo al vincularlo a recuerdos de mi época de estudiante, cuando se relacionaba este acto con la valía personal y profesional del profesor universitario invitado. Después, ha supuesto una preocupación porque Vds. (autoridades, compañeros y audiencia) merecen escuchar una lección acorde con el prestigio de nuestra Institución y, sin embargo, mis cualidades como orador son modestas. Por ello, habré de contar con su benevolencia y suplir mis deficiencias discursivas con un sincero y perdurable agradecimiento que corresponda con el honor que se me ha concedido. En estos momentos, no puedo dejar de recordar a los profesores, colegas y amigos con lo que, a lo largo de mi vida de dedicación a la Universidad, he tenido la fortuna de trabajar. Vaya también para ellos mi reconocimiento. El tema de la lección es el futuro de los biocombustibles y las biorrefinerías integradas y lo he elegido por su gran actualidad y por ser un campo científico en el que mantengo dos líneas de investigación. En su tratamiento, he seleccionado los aspectos más relevantes que aparecen en la bibliografía (algunos de los cuales son fruto de mi propia experiencia) y los he integrado en un marco doctrinal que he estimado coherente. En aras de una adecuada claridad, he organizado mi exposición en cinco pequeños capítulos: I. La biomasa como alternativa. Planes y proyectos existentes. II. Fuentes de la biomasa. 1

4 III. Fundamentos de biocombustibles, bioproductos y biorrefinerías IV. Tecnologías de conversión de la biomasa en las biorrefinerías V. Situación y desarrollo de las biorrefinerías en Castilla y León y sus impactos ambientales. El modelo agrario europeo, de carácter eminentemente familiar, es incompatible con la liberalización comercial y con la expansión productiva que requiere atender a la doble demanda de materias primas para alimentación y para biocarburantes (1). Aunque la Agroenergética puede llegar a constituir en el futuro una gran oportunidad para las zonas rurales en numerosos países, la súbita aparición de una nueva demanda de biocarburantes de primera generación en los países desarrollados tiene consecuencias sobre los mercados de materias primas agrícolas (principalmente cereales y oleaginosas), sobre los costes de producción de la ganadería, y sobre la seguridad alimentaria mundial, aparte de los correspondientes impactos medioambientales negativos. Todos fuimos testigos durante la segunda mitad de 2007 y los primeros meses del año 2008, del alza espectacular en el precio de los cereales y de las semillas oleaginosas, que ha llevado a la inactividad de la propia industria productora de biocarburantes, especialmente en España y buena parte de la Unión Europea. Esta situación puede no ser transitoria y reflejar un cambio estructural en los mercados. Sus causas son múltiples pero se concretan en un desequilibrio oferta/demanda, que ha generado expectativas en los mercados de futuros de las materias primas agrícolas, en un momento en que las políticas públicas estaban desmantelando los tradicionales stocks. El eventual ahorro de CO 2 a través de la producción y uso de biocarburantes en la Unión Europea resulta muy caro para las haciendas públicas, existiendo otras vías mucho más baratas que lograrían ahorros de emisiones similares, como son: la compra de derechos de emisión o las plantaciones forestales. El análisis coste/beneficio arroja una «pérdida de bienestar neto» espectacular. Para asumir los nuevos retos, la Unión Europea debe modificar su actual política agraria adoptando una nueva estrategia productiva expansiva. En Castilla y León, esto significa un aumento significativo en la producción de cereales para cubrir el actual 2

5 déficit. Con todo, para evitar las tensiones económicas y sociales que se están produciendo actualmente debido al alza de los precios agrícolas y al desabastecimiento de los mercados, es preciso: (a) separar la Agroenergética de la Agricultura Alimentaria; (b) dejar que la producción de biocarburantes de primera generación sea un objetivo; (c) empezar a centrarse en la producción de biocombustibles de segunda generación; y (d) potenciar la introducción de biorrefinerías integradas que operen exclusivamente con biomasa vegetal residual. Personalmente, considero que no se trata tanto de alcanzar un mayor grado de autoabastecimiento energético aumentando la producción de biocombustibles en Castilla y León, como de no introducir turbulencias en nuestra economía agroalimentaria. 3

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7 I Introducción 1.1. La biomasa como alternativa renovable de los combustibles fósiles La Agencia Internacional de la Energía (AEI), en su informe 2006 sobre Perspectivas Energéticas en el Mundo, en su escenario de referencia para el año 2030, apunta a que la demanda total de energía va a superar a la actual en un 50% y que la participación de los combustibles fósiles prácticamente se va a mantener en los mismos niveles de hoy (figura 1). Figura 1. Consumo mundial de energía primaria. Fuente: AIE, World Energy Outlook En lo que respecta al petróleo, su papel como pilar estable de la economía sobre el que se sustentaban industrias como la química, la de fertilizantes o la textil, ha cambiado drásticamente. La inestabilidad en su precio y suministro, el aumento de su demanda desde economías emergentes, junto 5

8 con el aumento de las emisiones de gases contaminantes, han hecho cada vez más necesaria la búsqueda de alternativas, tanto para el desarrollo de combustibles y energía, como para la elaboración de productos que sirvan como materia prima para otras industrias. En el contexto actual, los países industrializados han comenzado a considerar la biomasa como una materia prima idónea para la producción de energía y productos químicos, dado su carácter renovable y su amplia distribución. Asociado a este nuevo planteamiento nace el concepto de biorrefinería como la industria de refino para la producción de energía, combustibles, materiales y productos químicos a partir de biomasa vegetal. De modo análogo al funcionamiento de las refinerías, en las que se procesa el petróleo, se busca desarrollar las tecnologías que permitan obtener, a partir de los distintos componentes de la biomasa, energía, biocombustibles y familias de productos de base que puedan ser útiles a las distintas industrias productoras. En la actualidad, la mayor parte de los países han desarrollado políticas energéticas sobre la biomasa que priorizan la obtención de energía sobre la conversión a biocombustibles. Además, en la práctica, tal conversión en energía y combustibles se realiza en instalaciones separadas, y para un número limitado de productos (etanol, glicerina, ésteres de ácidos grasos, metanol, etc.), sin aprovechar todo el potencial de la biomasa. Actualmente, en EE UU, se producen unas 100 millones de toneladas de productos químicos, entre productos químicos de base, compuestos intermedios, especialidades y productos de química fina, de lo que sólo el 10% están basados en biomasa. Por ello, resulta obligado un una nueva política tendente a desarrollar las biorrefinerías integradas, entendidas como aquellas instalaciones, de carácter único, en las que se aprovecharán todos los subproductos y fracciones de la biomasa, para producir gran variedad de productos. Se busca el desarrollo de biorrefinerías flexibles en cuanto a la biomasa utilizable como sustrato, versátiles para acoger diferentes procesos y susceptibles de proporcionar productos de alto valor añadido. De hecho, los compuestos químicos orgánicos representan el mercado más directo para los bioproductos basados en unidades básicas similares (building blocks o productos químicos base). Por tanto, existe un margen muy amplio para, mediante un apropiado programa de desarrollo socioeconómico-tecnológico, desplazar parcialmente al petróleo de nuestra 6

9 economía, en una cantidad porcentualmente significativa, como materia prima para la obtención de productos químicos sustituyéndolo por biomasa (2). Entre las potenciales ventajas asociadas a una transición de la petroeconomía a la bioeconomía cabe citar: El uso de capacidad productiva no utilizada en agricultura e industria forestal. Revitalización de las economías rurales mediante la producción y el procesado local de fuentes de materias primas renovables; y desarrollo más equilibrado entre áreas urbanas y rurales. Desarrollo de nuevos materiales no disponibles a partir de fuentes petroquímicas. Mayor facilidad para lograr un desarrollo sostenible mediante el uso de materias primas renovables y la disminución de las emisiones de CO 2 a la atmósfera. Menor dependencia exterior, tanto energética como de fuentes de materias primas. La gran cantidad de tierras disponibles para cultivos así como el nivel de energía solar que incide sobre las mismas colocan, en principio, a España y especialmente a Castilla y León en una posición privilegiada para plantearse una política de desarrollo basada en la biomasa. Tal planteamiento ha de incluir una política I+D+i clarividente si se quiere llegar a desarrollos eficientes, competitivos y versátiles Últimos planes y proyectos en energía de la biomasa En el Plan de Energías Renovables en España (PER) de agosto de 2005 se especificó que el impulso a la innovación tecnológica contaría con fondos del Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE) para Investigación, Desarrollo e Innovación (I+D+i), de acuerdo con unas líneas prioritarias que se definirán, así como con fondos del Programa de Fomento de la Investigación Técnica (PROFIT). Asimismo, indicaba que las actuaciones prioritarias a desarrollar dentro del apartado de innovación eran, clasificadas por fases, las siguientes: 7

10 Fase de producción: - Métodos analíticos para la caracterización física y energética de la biomasa y la determinación de estándares de calidad. - Desarrollo de un Programa para la Promoción de los Cultivos Energéticos que incluya, entre sus aspectos principales, la selección y mejora de especies, métodos sostenibles para su desarrollo y el análisis de productividad y costes reales. - Desarrollo de sistemas y maquinaria de recogida de biomasa. - Sistemas logísticos para el suministro de biomasa. - Métodos y equipos para la adecuación de la biomasa a su uso energético. Fase de aplicación energética: - Mejora de sistemas de manejo y alimentación de la biomasa. - Desarrollo de tecnología para calderas de lecho fluido. - Desarrollo de sistemas eficientes de gasificación y energía térmica. - Desarrollo de técnicas de limpieza de gases en gasificación y combustión. - Adaptación de turbinas y motores a la combustión del gas de la biomasa. - Desarrollo de sistemas de climatización con biomasa. Es de observar que estas actuaciones se han inscrito en la política de la Unión Europea de los últimos años sobre el uso de biomasa en la producción de energía y biocombustibles y que, como se ha dicho anteriormente, ha concedido un mayor peso específico a la primera sobre los segundos. En tales actuaciones ha destacado la empresa Abengoa Bioenergía. Un avance aparente en la potenciación de los biocombustibles y otros bioproductos frente a la producción de energía se ha observado en el proyecto CENIT PIBE (Proyecto de Investigación para el Impulso del Biodiesel en España) liderado por Repsol, que contemplaba la revalorización de la glicerina obtenida como subproducto en la fabricación de biodiésel mediante su conversión en productos de mayor valor añadido. La realidad subyacente era que el impulso del biodiésel se debía a la necesidad de encontrar nuevos usos a la glicerina y no en que existiera una política integral de uso de biomasa y productos derivados 8

11 para la obtención de bioproductos diferentes de los biocombustibles. Sin embargo, el Plan Nacional de Investigación Científica, Desarrollo e Innovación Tecnológica sí apostó por el trabajo en las líneas prioritarias de bioproductos y biomateriales. Es, precisamente, en estas líneas donde deben proseguirse las actuaciones y sin perder nunca de vista la realidad del sector agrario en nuestro espacio geográfico. En Castilla y León, las tierras de cultivo en el año 2005 representaban un 37,48% del total de la Comunidad, predominando los cultivos de secano (85,93%) frente al regadío (14,07%) y los cultivos herbáceos (80%) frente a los leñosos (2,56%). El sector agrario no superaba el 7% del total regional y se encontraba inmerso en un proceso de ajuste, reducción de producción y transformación de los procesos productivos de acuerdo con la Política Agraria Común (3). Hoy, parece que la situación persiste. En Castilla y León y hasta que se desarrolle la segunda generación de técnicas de producción de biocarburantes, la obtención de los mismos está vinculada a los llamados cultivos energéticos. El desarrollo de estos combustibles de segunda generación, tal como se especifica en el presente estudio, resulta acertado dada la viabilidad de los mismos desde un punto de vista ambiental y de su aplicación a biorrefinerías integradas. Antes de profundizar en consideraciones sobre las biorrefinerías integradas, se impone por razones didácticas- un desarrollo expositivo sobre los componentes que integran la biomasa y que podrían ser utilizados en una biorrefinería, los tipos de materias primas y los productos finales que pueden obtenerse, los procesos de conversión de la biomasa y las distintas plataformas tecnológicas que pueden establecerse en función de la naturaleza de dichos procesos. Seguidamente, se abordará la identificación de los obstáculos que retrasan la implantación de las biorrefinerías y las posibles soluciones y oportunidades que implica su establecimiento para los sectores del transporte, químico, energético, agrícola y forestal. 9

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13 II Fuentes de la biomasa La biomasa es el resultado del crecimiento de organismos fotosintéticos que realizan la fijación del CO 2 atmosférico en forma de compuestos orgánicos y biopolímeros a expensas de la energía solar. Una de las características principales de la utilización de la biomasa es que, al contrario de lo que ocurre con los productos derivados de las materias primas fósiles (no renovables), presenta un balance de CO 2 neutro desde el punto de vista medioambiental (4). Es decir, que la cantidad de CO 2 que se libera a la atmósfera al final del ciclo de vida de los bioproductos es idéntica a la cantidad de CO 2 captada durante la formación de la biomasa. La biomasa puede ser de origen terrestre (plantas y sus derivados) o marino (algas y microorganismos fotosintéticos). La utilización y explotación de la biomasa marina es hoy meramente testimonial y no supone una alternativa real a la biomasa terrestre (5). No obstante, el cultivo acuático de algas en regiones no costeras, para su uso como biomasa, está recibiendo una gran atención. La biomasa vegetal, según su origen, se puede clasificar en dos grandes grupos: agrícola y forestal (tabla 1). Cada una de ellos, a su vez, puede ser dividido en tres subgrupos (primaria, secundaria y terciaria), de acuerdo con el punto de la cadena productiva del cual se deriva (6). La biomasa primaria corresponde a la obtenida directamente de las explotaciones agrícolas o forestales; la secundaria corresponde a los residuos de biomasa que se generan en las industrias transformadoras de las materias primas; y la terciaria hace referencia a los residuos urbanos. 11

14 Tabla 1. Clasificación de la biomasa vegetal Primaria Secundaria Terciaria Biomasa Agrícola Cultivos de uso específico no alimentario Residuos primarios de cultivos alimentarios Hierbas y pastos Residuos de industrias agroalimentarias Residuos de explotaciones ganaderas Residuos sólidos urbanos (fracción orgánica) Fangos de depuradoras de aguas residuales Biomasa Forestal Madera de bosques uso específico Madera derivada de operaciones de limpieza y mantenimiento de montes Residuos derivados de la explotación maderera Residuos de industrias de primera y segunda transformación de la madera Residuos de industrias de pasta de papel y papeleras Residuos urbanos de madera Residuos urbanos celulósicos 2.1. Biomasa agrícola Se entiende por tal la producida en terrenos de uso agrícola y corresponde a los denominados cultivos no alimentarios, a los residuos primarios de los cultivos alimentarios, a las hierbas y pastos, y a los diversos residuos que se generan a partir de la biomasa primaria a lo largo de la cadena de producción y consumo. En relación con su naturaleza y composición, corresponde a un conjunto heterogéneo de materiales entre los que se incluyen almidón, azúcares, celulosa y lignocelulosa, grasas y aceites, proteínas y otros. Ello implica que su procesado debe seguir rutas y tecnologías diversas dependiendo del tipo de material considerado, cuestión que claramente la diferencia de la biomasa forestal, que presenta una elevada homogeneidad (materiales lignocelulósicos). Sin embargo, este aspecto que, por un lado puede dificultar su manejo y procesado, supone por otro lado una gran ventaja, ya que debe permitir una mayor diversificación de los bioproductos potencialmente obtenibles, en comparación con la biomasa forestal. 12

15 Dentro de la biomasa de origen agrícola se pueden establecer los siguientes grupos (5-12): Cultivos de uso específico no alimentario. Corresponde a aquellos que, siendo aptos para su uso en alimentación humana o animal, se les da un destino distinto del alimentario. Incluyen algunos utilizados en alimentación humana (maíz y otros cereales, legumbres, semillas oleaginosas, caña de azúcar, remolacha azucarera) o animal (alfalfa) y otros de uso exclusivo no alimentario (cardo). Los denominados cultivos energéticos, es decir, cultivos destinados a la producción de biocombustibles y energía (9), también forman parte en este grupo y son materia objeto de estudio de la denominada Agroenergética. Los cultivos no alimentarios pueden ser herbáceos o leñosos, incluyéndose en este último grupo los forestales de rotación corta que, si bien por su naturaleza son de tipo forestal, son considerados agrícolas por su producción en terrenos de uso agrícola. Una clasificación de los cultivos no alimentarios según el criterio del tipo de materia prima predominante y su utilización es la siguiente: - Cultivos de azúcar para la obtención de sacarosa y bioetanol: son la caña de azúcar (Saccharum sp.) y la remolacha azucarera (Beta vulgaris L.). - Cultivos de almidón e inulina para la obtención de glucosa: incluyen los cereales cuyos granos son ricos en almidón (maíz, trigo, cebada, avena, sorgo) y los tubérculos de patata (Helianthus tuberosus L.), rizomas de achicoria (Cichorium sp.) y dalia (Dhalia sp.), ricos en inulina. El almidón puede ser hidrolizado química o enzimáticamente a glucosa para su uso como sustrato de fermentaciones, o bien modificado químicamente para la producción de biomateriales. - Cultivos oleaginosos para la producción de biodiesel: se trata de cultivos que producen semillas ricas en aceites vegetales, tales como colza (Brassica napus L.), girasol (Helianthus agnus L.), alazor (Carthamius tinctorius) y soja (Glycine max). 13

16 - Cultivos acuáticos para la producción de coloides: nos referimos a las algas, fuente de la que se extrae aceite, agar, alginatos y carragenano. Es posible encontrar una valiosa información sobre cultivos no alimentarios en la página web de IENICA (Interactive European Network for Industrial Crops and their Applications), proyecto financiado por la DG Research de la Comisión Europea (10). La utilización no alimentaria de los cultivos genéticamente modificados o transgénicos podría suponer una gran ventaja en su desarrollo y uso, ya que podría beneficiarse de un marco legislativo mucho menos restrictivo que el existente para los usos alimentarios. Residuos primarios de cultivos alimentarios. Se trata de los residuos y subproductos vegetales de naturaleza lignocelulósica que se obtienen en los cultivos alimentarios y que están formados por aquellas partes de la planta que permanecen tras retirar las fracciones de interés alimentario. Algunos son leñosos, como los procedentes de las podas de olivos, frutales y viñedos, y otros herbáceos, como la paja de cereales y el bagazo del maíz. Su abundancia y bajo coste hacen de ellos una de las materias primas de biomasa con mayor potencial de aprovechamiento en biorrefinerías. Hierbas y pastos. En este grupo se incluyen las plantas herbáceas verdes (forraje) y los cereales en sus fases tempranas, cuando aún no han producido el grano. Se componen de una fracción sólida fibrosa (lignocelulosa) y otra líquida, rica en proteínas y pigmentos. Alternativamente, pueden ser sometidos a un proceso de fermentación parcial (silage), tras el cual la fracción soluble se enriquece en azúcares, ácidos orgánicos y aminoácidos. Este tipo de biomasa es el que se emplea en la denominada biorrefinería verde, de la que puede obtenerse una completa información en Fowler et al, 2003 (12). Como materias primas usuales para este tipo de biorrefinería se utilizan diferentes especies de Lolium sp., Cynodon sp., Phleum pratense, Danthonia sp., Trifolium sp., Brassica sp., y cereales cuando están verdes (trigo, soja, mijo, avena, maíz, etc.). Dos especies que han despertado un interés reciente para uso bioenergético son Panicum virgatum (capaz de crecer bajo 14

17 diferentes condiciones ambientales, además de haber mostrado unos balances excelentes en la reducción de gases de efecto invernadero) (13); y Miscanthus giganteus, también conocido como pasto elefante, dado su elevado rendimiento (hasta 25 t peso seco/ha anuales) (14). Residuos y subproductos de industrias agroalimentarias. Corresponden a los residuos y subproductos que se generan en las industrias aceiteras (orujo, alpechín y alperujo), conserveras (restos de vegetales y frutas, huesos, semillas y pieles), de vinos (raspón, hollejo y semillas de uva, lías, vinazas), de cereales y derivados (cáscaras), cerveceras (grano y malta residuales), azucareras (melazas y bagazo), café (marros y cascarilla), molienda húmeda del maíz (licor de maceración del maíz -corn steep liquor-, germen, gluten), de frutos secos (cáscaras) y queserías (lactosuero). Sus usos principales, en la actualidad, son el compostaje y la aplicación agrícola directa, la alimentación animal y la producción de alcohol; y a partir de grasas animales (sebo de vaca y manteca de cerdo), la producción de biodiésel. Residuos de explotaciones ganaderas. Proceden de las deyecciones del ganado, fundamentalmente el estiércol y los purines, que pueden utilizarse además de como abono y compostaje, para la generación de biogás por digestión anaerobia. Residuos urbanos (fracción orgánica). Son los residuos de naturaleza orgánica resultantes de la actividad humana, tales como aceites de fritura, usados para la producción de biodiésel; y restos de comida, jardinería y otros materiales fermentables, utilizados en compostaje y en la generación de biogás. Fangos de depuradoras de aguas residuales. Son residuos producidos en los procesos de depuración de aguas residuales urbanas, y que pueden ser empleados en la generación de biogás por digestión anaerobia. Idealmente, las futuras biorrefinerías integradas deberían tener la capacidad de utilizar todas las fuentes de biomasa descritas anteriormente. Sin embargo, las fuentes de mayor potencial e interés son las 15

18 denominadas fuentes primarias de biomasa, seguidas de algunas de las fuentes secundarias (residuos de industrias madereras, del papel y pasta de papel y algunas agroalimentarias). Por el contrario, no parece muy probable que las fuentes terciarias presenten gran interés de cara a su empleo en biorrefinerías Biomasa forestal La biomasa forestal está constituida fundamentalmente por materiales lignocelulósicos de naturaleza fibrosa que forman parte de la pared celular que recubre las células vegetales, en cuya composición se distinguen tres tipos de biopolímeros: celulosa (rica en glucosa (hexosa)); hemicelulosas (rica en xilosa (pentosa)); y lignina (constituida por unidades básicas de entre las que predominan los grupos aromáticos fenólicos). El aprovechamiento de la biomasa forestal lignocelulósica requiere, en primer lugar, la separación de la misma en sus tres componentes básicos. A partir de aquí, cada componente debe seguir caminos separados. La fracción de celulosa debe ser hidrolizada enzimáticamente hasta sus unidades básicas (glucosa), que sirvan posteriormente como sustrato para fermentaciones. La fracción de hemicelulosa puede ser tratada químicamente para producir furfural y sus derivados, o bien ser hidrolizada enzimáticamente a monosacáridos y subsiguientemente utilizada como sustrato de fermentaciones. La fracción de lignina puede ser despolimerizada para aprovechar los compuestos aromáticos o ser gasificada (gas de síntesis). Dentro de la biomasa de origen forestal se pueden establecer los siguientes grupos (5-9): Madera de bosques de uso específico. Es la procedente de los denominados cultivos forestales de rotación corta: álamos, chopos, sauces y arces, en disposiciones extremadamente densas, recolectados a intervalos de 3-4 años y regenerados a partir de los tocones, con una esperanza de supervivencia de al menos 5 rotaciones (8). Madera derivada de operaciones de limpieza y mantenimiento de montes, como la eliminación de árboles dañados o enfermos, el desbroce del exceso de masa vegetal y la creación de cortafuegos. 16

19 Estas actividades generan importantes cantidades de biomasa susceptibles de utilización como materia prima en biorrefinerías. Residuos derivados de la explotación maderera. El aprovechamiento maderero de la masa arbórea suele limitarse a los troncos de los árboles, quedando abandonadas las ramas de diversos tamaños y calibres y la masa foliar. Su valoración precisa operaciones de corta, saca y transporte a pista (9) y mejora con tratamientos in situ como el astillado y la compactación. Residuos de industrias de primera y segunda transformación de la madera. Dentro del primer grupo se incluirían los aserraderos e industrias madereras, y dentro del segundo, las industrias del mueble, embalajes y auxiliar de la construcción. Ambas generan un conjunto de materiales heterogéneos tales como astillas, cortezas, serrín, recortes, cilindros, finos y otros (9). Su tratamiento y manejo se realiza en las mismas instalaciones donde se producen, existiendo equipos adecuados para ello. Residuos de industrias de pasta de papel y papeleras. En la industria del papel, la madera es convertida en fibra utilizando diversas tecnologías químicas y mecánicas de procesado. La aplicación de la tecnología más frecuente (Kraft pulping) convierte aproximadamente la mitad de la madera en fibra, mientras que la otra mitad se convierte en el denominado licor negro, un subproducto que contiene la fibra de madera no utilizada (rica en lignina) y diversos productos químicos valiosos. Generalmente, estas instalaciones queman el licor negro para producir energía que contribuye a paliar sus propias necesidades energéticas. Este licor negro podría utilizarse en la biorrefinería como materia prima para la obtención de compuestos aromáticos y adhesivos naturales, y para la producción de gas de síntesis mediante tecnologías de gasificación. Residuos urbanos de madera y celulósicos. Corresponden a los residuos sólidos urbanos de madera, tales como muebles y desechos de construcción y demolición, y de celulosa, como residuos de papel y cartón. 17

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21 III Fundamentos sobre biocombustibles, bioproductos y biorrefinerías 3.1 Biocombustibles y sus tipos Los biocombustibles son aquellos combustibles obtenidos de una fuente que no tiene origen mineral o fósil sino biológico. El artículo 2 de la Directiva 2003/30/CE de 8 de mayo de 2003, relativa al fomento del uso de biocarburantes u otros combustibles renovables en el transporte, define biocarburante como el combustible líquido o gaseoso para transporte producido a partir de la biomasa, entendiendo por biomasa la fracción biodegradable de los productos, desechos y residuos procedentes de la agricultura (incluidas las sustancias de origen vegetal y de origen animal), de la silvicultura y de las industrias conexas, así como la fracción biodegradable de los residuos industriales y municipales. Tras el sector terciario, el transporte es la actividad que absorbe la mayor parte de las necesidades energéticas en cuanto al consumo de energía final y una de las más contaminantes. A este respecto, los biocarburantes que se obtienen a partir de los productos agrícolas constituyen combustibles alternativos a las gasolinas y al gasoil; y su utilización, en mezclas con los combustibles fósiles, supone reducciones importantes en las emisiones de los vehículos. La COPA (Comité de Organizaciones Profesionales Agrícolas de la Comunidad Europea) define los biocombustibles como aquellos combustibles (y aditivos a los combustibles) derivados en su totalidad, o en parte, de materias primas agrícolas o silvícolas. Esta organización distingue entre biocombustibles sólidos destinados principalmente a generar vapor y electricidad, y biocombustibles líquidos, destinados a su utilización como combustibles para automoción (15). Los biocarburantes clasificados como de primera generación son los que se obtienen a partir de materias primas también destinadas al mercado alimentario. Es el caso del bioetanol obtenido por fermentación de los azúcares presentes en materias primas como la caña de azúcar o los 19

22 granos de cereal, y el biodiésel obtenido por transesterificación química de aceites vegetales procedentes de biomasa oleaginosa. El biodiésel obtenido por transesterificación química de aceites usados podría considerarse como puente entre el biodiésel de primera y segunda generación, ya que, a pesar de la naturaleza residual de esta materia prima, sigue aplicando la misma tecnología de transformación. Los biocarburantes de segunda generación son producidos a partir de una variedad mayor de materias primas que no compiten con el mercado alimentario, y mejoran los balances en la reducción de gases de efecto invernadero, contribuyendo a la sostenibilidad del proceso y al cumplimiento de los objetivos fijados en la UE y en el PER Estos biocombustibles pueden obtenerse mediante varias rutas: ruta biológica, como la obtención de bioetanol a partir de materias primas lignocelulósicas; y ruta termoquímica, principalmente gasificación y síntesis, tecnología que se conoce como BTL (de las siglas en inglés de biomass to liquids), a partir de la cual pueden obtenerse diésel Fischer Tropsch, biometanol, biodimetil éter, diésel sintético y alcoholes pesados. Otras rutas termoquímicas como la pirólisis rápida y la licuefacción hidrotérmica permiten la obtención de los aceites de pirólisis y el biopetróleo (biodiésel HTU), respectivamente. Recientemente, se ha establecido una tercera generación y actualmente, se está explorando una cuarta generación de biocombustibles. El biodiésel procedente de microalgas y cianobacterias constituiría la tercera generación. La producción de H 2 y de bioelectricidad empleando mecanismos fotosintéticos, y el metano obtenido por bacterias a partir de CO 2 son considerados biocarburantes de cuarta generación (15). Existen diferentes tipos de biocarburantes, siendo los más conocidos los biocombustibles líquidos bioalcoholes y bioaceites, biocombustibles gaseosos y por último hemos incluido nuevos precursores de bioproductos y biocombustibles sintéticos de materiales lignocelulósicos, vía solvólisis Bioalcoholes y derivados Bioetanol. Constituye el bioproducto de mayor producción mundial: en 2004 se produjeron 24 millones de toneladas. Se obtiene por fermentación de la glucosa con la levadura Saccharomyces cerevisae a partir de una 20

23 amplia variedad de hidratos de carbono. Se obtiene de cultivos agrícolas, por fermentación de la sacarosa contenida en la remolacha y el sorgo dulce, y tras un proceso de hidrólisis del almidón y de la inulina presentes en los cereales (maíz, arroz) y patata. Recientemente, se han desarrollado procedimientos de obtención con la bacteria Zymomonas nobilis y/o de microorganismos genéticamente modificados, que apuntan a una mejora significativa de la productividad. A partir de etanol pueden obtenerse etileno, acetaldehído, ésteres de etilo y éteres etílicos tales como éter dietílico y etil t-butil éter. Sin embargo, el gran incremento de la producción de etanol experimentado en los últimos años descansa básicamente en su uso como biocombustible en motores Otto, sustituyendo a la gasolina o bien mezclados con ella en pequeñas proporciones (hasta un 25% de alcohol anhidro, sin modificaciones en el motor). Ajustando el motor y adaptando el carburador a la nueva situación estequiométrica, es posible conseguir mayor potencia y par motor, una mejora del rendimiento térmico y una reducción del consumo, aparte de una combustión más perfecta. El problema de los alcoholes reside en su inestabilidad en presencia de pequeñas cantidades de agua y en un aumento de la presión de vapor y del índice de volatilidad de las gasolinas. Las mezclas de entre el 3 y el 15% de etanol con el gasóleo y un aditivo, comercializadas en EE UU y Brasil, se conocen como Diesohol. Con ellas, se mejora la combustión y se reducen las emisiones. El etanol obtenido por fermentación de los azúcares presentes en materias primas lignocelulósicas se conoce como bioetanol celulósico. Biometanol. El metanol puede ser obtenido a partir de la biomasa o residuos y aunque hasta la fecha no ha sido rentable, puede serlo a corto plazo: Rusia ya tiene un programa de producción en biorrefinerías a partir del eucalipto. Además de su uso en motores de combustión interna, el metanol puede utilizarse para la obtención de hidrógeno empleado en celdas de combustible. Su problema fundamental es la toxicidad por inhalación. Biobutanol. Este combustible se obtiene mediante la denominada fermentación ABE a partir de materiales amiláceos, mediante el 21

24 Clostridium acetobutylicum y presenta ventajas respecto al bioetanol ya que no es corrosivo y puede ser mezclado con gasolinas en mayor proporción que los biocombustibles actuales y sin necesidad de modificar los motores. Además, el biobutanol tiene una menor presión de vapor y mayor tolerancia a la presencia de agua en las mezclas con las gasolinas, facilitando su uso dentro de los actuales canales de distribución. ETBE (5-etil-ter-butil-éter) y MTBE (Metil ter-butil-éter). Son aditivos obtenidos a partir del etanol o metanol y el isobuteno. La fracción volumétrica que se computa como biológica es sólo del 47% para el bioetbe y del 36% para el biomtbe, ya que el isobuteno es combustible fósil. Ambos han resultado valiosos como substitutos del plomo tetraetilo para mejorar el índice de octano de las gasolinas y por presentar menor volatilidad, solubilidad en agua, eficiencia térmica y poder anticorrosivo. El ETBE tiene un mejor índice de octano y poder calorífico que el MTBE, un mayor rendimiento a partir del isobuteno y se puede utilizar hasta un 10% junto con las gasolinas. Además, se puede producir en las mismas instalaciones en las que ahora se obtiene el MTBE. La primera planta industrial de ETBE se instaló en Francia en En España, existen 5 plantas de producción de MTBE a la espera de su reconversión en ETBE. Estos éteres evitan los inconvenientes mencionados para los alcoholes y por ello, la mejor opción a corto plazo para la utilización de los alcoholes agrícolas como biocarburantes es su transformación previa a ETBE y su posterior introducción en la formulación de las gasolinas Bioaceites y derivados Bioaceites. La utilización de aceites vegetales sin refinar encuentra dificultades como carburante en motores de encendido por compresión, tal que para mantener la viscosidad, el cetanaje y el punto de congelación dentro de unos límites aceptables, es preciso mezclarles con gasóleo. Existe una alternativa interesante a base de mezclas de aceites vegetales brutos con gasolina (14%) y alcohol (5%) como carburantes de motores diesel. También existen motores preparados para funcionar con aceites vegetales brutos como el motor Elsbett o el motor tipo W de Deutz-Fahr (15). 22

25 Biodiésel. Es un biocombustible derivado de aceites vegetales (colza, girasol, palma, soja), aceites de fritura o grasas animales. Los aceites extraídos de las plantas oleaginosas son transformados en biodiésel con alcoholes de cadena corta y un catalizador, mediante un proceso denominado transesterificación. Este método se está imponiendo como sustituto del gasóleo en los motores de comprensión y en calderas de calefacción. En 1900, Rudolf Diesel puso en marcha su motor con aceite de cacahuete. La primera referencia a alquil ésteres de ácidos grasos como combustible la encontramos en 1937 y solo un año más tarde, en el verano de 1938, un autobús propulsado con etil ésteres de aceite de palma, funcionó entre Bruselas y Lovaina. Su utilización se pierde en el tiempo hasta la crisis del petróleo: en 1985, comienza en Austria la producción de una planta piloto de éster metílico de aceite de colza o RME (de los vocablos ingleses rapeseed methyl ester), que resulta industrial en 1991; en 1988, un investigador chino (Wang) acuña la denominación biodiésel; y en 1996, se abren dos plantas de producción, una en Francia y otra en Alemania. Desde entonces y sobre todo en la última década, la bibliografía científica sobre biodiesel ha crecido a nivel exponencial (15-17). Hoy, el biodiesel se utiliza tanto puro como mezclado con gasoil de origen fósil: mientras para uso en autobuses municipales puede alcanzar entre un 30 y un 36% de la mezcla, para uso de particulares puede oscilar entre el 5%, autorizado en Francia y Alemania (B5) y el 20% en EE UU (B20). De acuerdo con la Directiva Europea para la promoción del uso de los biocombustibles de la UE de 2003, se debe alcanzar una cuota del 5,75% en En España, ante la imposibilidad de controlar si los vehículos que repostan en las estaciones de servicio están o no preparados para el uso del biodiésel 100%, se emplea la mezcla BDP-10 (10% biodiésel + 90% gasóleo), y así cualquier vehículo lo puede utilizar sin ningún tipo de problema (16). Bioaceites a partir de algas. Las algas pueden ser consideradas como combustibles alternativos, ya que fijan la luz solar y el dióxido de carbono y pueden crecer y duplicar su peso en cualquier lugar, en agua de mar o agua salada, en agua adulterada o incluso en aguas residuales y pueden soportar temperaturas extremas. Las algas producen el aceite como un subproducto de la fotosíntesis y con un rendimiento por hectárea quince veces superior al de otras plantas como maíz y switchgrass. Si dejamos 23

26 que las algas crezcan de forma natural, entonces la producción de aceite es baja, alrededor de un 1% por el peso de las algas, pero si se incrementa el CO 2 y la cantidad de materia orgánica disponible para las algas, el rendimiento en aceite puede aumentar hasta un 40% en peso. Las algas también se pueden utilizar para reducir al mínimo las emisiones de dióxido de carbono procedentes de térmicas o instalaciones industriales Biocombustibles gaseosos Biogás. Se puede producir fácilmente por fermentación anaerobia de residuos húmedos de la biomasa con una composición media de un 60% de metano y un 40% de CO 2. La proporción de metano depende de la materia prima empleada. El biogás tiene problemas por la presencia de SH 2, ya que es muy corrosivo. La potencia obtenida con estos combustibles en motores es menor que en el caso de la gasolina o el gasoil, debido sobre todo al menor poder calorífico de este combustible (entre 4700 y 5500 kcal/nm 3 ), así como a su baja densidad, razón por la cual también es muy inferior su autonomía. Para aumentar el poder calorífico del biogás se debe eliminar el CO 2. Se puede utilizar como combustible para generar calor y electricidad. Gasógeno o gas pobre. Se puede obtener de residuos secos forestales o agrícolas quemados de forma incompleta con aire y la mezcla puede oscilar en los intervalos: % de CO, 10-25% de H 2, 2-15% de CO 2, 0-4% de CH 4, y el resto N 2. Se pueden usar en motores de gasolina y diesel. Para uso de estos gases en motores diesel es preciso mezclarlos con una parte de gasoil, que no suele pasar del 10%. Se puede producir electricidad mediante microturbinas acopladas a la salida de los reactores. Su poder calorífico está comprendido entre MJ/Nm 3 Gas de síntesis. Está compuesto mayoritariamente por CO e H 2 y puede obtenerse a parte del gas natural y del carbón, y de la biomasa o a partir de aceites de pirolisis utilizando como comburente oxígeno o vapor de agua. A partir del gas de síntesis se puede obtener hidrógeno, alcoholes, aldehídos, hidrocarburos (mediante la síntesis de Fischer-Tropsch), y diesel o gasolina sintética (synfuel) para uso en motores convencionales de combustión interna. Su poder calorífico está comprendido entre

27 MJ/Nm 3. Si el gas de síntesis presenta un elevado contenido en metano, entonces el poder calorífico se eleva a 30 MJ/Nm 3 (18) El caso particular del biohidrógeno El hidrógeno se puede formar: a partir del gas de síntesis, por la reacción de desplazamiento del gas de agua (a la que nos acabamos de referir); y a partir del metanol, por reformado in situ. También es posible su producción vía biológica, a partir del microorganismo anaerobio Clostridium ljungdahlii, utilizado por la compañía Alico Inc en LaBelle (Florida). Esta empresa coproduce electricidad, etanol, hidrógeno, amoníaco y ácido acético a partir de residuos de biomasa (maderas, astillas y otros restos vegetales) autogenerados (19). El rediseño genético de los organismos empleados en la síntesis de biocombustibles, mediante la aplicación de tecnologías de biología sintética, podría aumentar de forma significativa la eficiencia de los procesos y reducir el coste global. En este sentido, cabe destacar los proyectos de investigación del Grupo de Biología Sintética y Bioenergía del Instituto J. Craig Venter que pretenden promover microorganismos que produzcan hidrógeno y metano (biocombustibles de cuarta generación) (20,21). Fotosíntesis artificial y oxidación del agua. Las plantas verdes vienen realizando la fotosíntesis durante millones de años. Las plantas verdes atrapan la luz solar y la convierten en energía electroquímica. En los últimos años, muchos grupos de investigadores (entre los que se incluye el grupo de Tecnologías Avanzadas para el Desarrollo Rural Sostenible, TADRUS, de la Universidad de Valladolid) venimos imitando el proceso de fotosíntesis para producir hidrógeno y oxígeno a partir de la oxidación del agua (22, 23). Para ello, es imprescindible el uso de catalizadores nanoestructurados que operen cerca del potencial redox termodinámico de la reacción de manera que un máximo de la fracción de fotones de energía solar se convierta en energía química. Todo apunta a favorecer a los materiales inorgánicos (por ejemplo, los óxidos) que pueden soportar las necesarias condiciones de reacción (ph o temperatura). El hidrógeno así producido puede alimentar las celdas de combustible y producir agua, calor y electricidad. Tienen las ventajas sobre el motor de gasolina de que 25

28 no producen emisiones de CO 2 y su eficiencia es dos veces mayor, del orden del 60%. El principal problema de las celdas es la durabilidad y, por el momento, su alto coste Bioproductos y biocombustibles obtenidos por solvólisis. Se trata de los productos ácido levulínico, furfural e hidroximetilfurfural, o sus mezclas, producidos a partir de la biomasa, vía solvólisis, y con posibilidad de utilización como biocarburantes de segunda generación. Se trata de especies precursoras tanto de biocombustibles con aplicación en motores (para transporte y producir electricidad) como de productos agroquímicos, investigadas y desarrolladas en esta Escuela por el TADRUS. Furfural (2-furfuraldehído). Es el tercer biocombustible que puede ser directamente utilizado en motores diesel. Viene produciéndose desde 1922 (cuando Quaker Oats obtuvo la patente de su producción) a partir del bagazo de la caña de azúcar, cascarilla de arroz o de biomasa no alimentaria. Actualmente, se producen t/año y constituye, hoy por hoy, el único compuesto químico orgánico insaturado preparado a partir de hidratos de carbono. Su síntesis conlleva la hidrólisis en medio acuoso ácido y a alta temperatura de la hemicelulosa contenida en residuos agrícolas y forestales, el 25% de cuya composición son polisacáridos de D-xilosa (xilosanos). No obstante, en disolución se encuentran presentes hexosas susceptibles de producir 5-hidroximetil-furfural y posteriormente, el ácido levulínico A partir de furfural se producen una variedad de compuestos de interés industrial tales como alcohol furfurílico, furfurilamina, ácidos furoico y furanacrílico, furano y tetrahidrofurano. Constituye, además, una unidad base (building block) para obtener moléculas más complejas tales como difurfuril diamina y ésteres de ácido difurfurildicarboxílico, a partir de los cuales pueden obtenerse monómeros para la fabricación de poliamidas y poliésteres, respectivamente. La mayor parte del furfural se utiliza como disolvente en el refinado de aceites lubricantes y en la preparación del nylon, junto con el alcohol 26

29 furfurílico, en condensaciones con formaldehído, fenol, acetona o urea, para obtener resinas con excelentes propiedades para su termoconformado, alta resistencia a la corrosión, bajo peligro de incendio y muy buena resistencia física, que se usan extensamente en la industria de la fundición como machos para moldes de alta calidad. 5-hidroximetilfurfural y derivados. El hidroximetilfurfural (HMF) es un derivado de un furano con un grupo alcohol y un grupo aldehído y que se forman por descomposición térmica o deshidratación de los glúcidos. La coloración anaranjada o rojiza que adquiere el melocotón maduro se debe a la formación de HMF a partir de fructosa. La miel reciente contiene 1-5 mg HMF/kg de miel y la miel envejecida, hasta 40 mg/kg miel. Las uvas pasas pueden contener hasta 100 mg/kg de HMF. A partir del HMF se pueden obtener 4 ácidos dicarboxílicos (maleico, málico, succínico y malónico) y ácido glicólico. Nuestro grupo de trabajo es capaz de obtener al 100% ácido levulínico a partir de fructosa pura. Hoy en día, HMF y ácido levulínico son consideradas especies químicas muy versátiles y compuestos potenciales para la producción de biocombustibles. El HMF se puede convertir en 2,5-dimetilfurano, que es un líquido biocombustible que se puede utilizar como aditivo para sustituir a los alcoholes. Entre sus derivados se encuentran los ácidos delta-amino levulínico, difenólico, succínico, y derivados como 1,4-butanodiol. Es un precursor del nylon, cauchos sintéticos y plásticos y también del metiltetrahidrofurano (biofuel utilizado como aditivo del petróleo, producido vía hidrogenación del ácido levulínico o del furfural) y del ester levulinato de etilo (aditivo tanto del diésel como del petróleo y producido por esterificación del alcohol con ácido levulínico). Recientemente, Dumesic ha conseguido la producción de alcanos líquidos a partir de carbohidratos de la biomasa vía HMF y en fase acuosa (24) La biorrefinería integrada Dentro de una economía basada en la biomasa, existe la posibilidad de producir energía, combustibles, productos químicos y materiales derivados tanto en instalaciones separadas como en una sola instalación. En este segundo caso y al igual que en la refinerías actuales, sería posible producir, además de energía y biocombustibles (biorrefinería), una serie 27

30 de productos químicos orgánicos base que sirvan de plataforma de compuestos intermedios (secondary commodity chemicals, building blocks) con los cuales puedan obtenerse materiales que proporcionen las prestaciones demandadas por los productos acabados. Surge así, de manera natural, el concepto de biorrefinería integrada como el de una instalación productiva en la que, al igual que las refinerías actuales más avanzadas, pero partiendo de biomasa en lugar de petróleo, se produzcan combustibles, energía y diferentes líneas de productos químicos, de tal forma que se incremente la rentabilidad económica con respecto a las instalaciones que produzcan exclusivamente biocombustibles y energía (figura 2). Figura 2. Comparación de los principios básicos de la refinería basada en el petróleo y de la biorrefinería (25) El paso de biorrefinerías a biorrefinerías integradas parece inevitable. En efecto, la fuerza determinante del fuerte desarrollo que están alcanzando las biorrefinerías en la producción de energía y de biocombustibles descansa en la necesidad de disminuir la dependencia energética del petróleo. Sin embargo, como todo negocio, la biorrefinería ha de ser rentable y mantener esa rentabilidad en el tiempo. Y es precisamente la rentabilidad la que está actuando como fuerza impulsora para la aceptación del concepto de biorrefinería integrada (26) pues en ésta, además de energía y biocombustibles, se fabricarán un conjunto de productos químicos de alto valor añadido que permitirán no sólo 28